JP5411871B2

JP5411871B2 - エレクトレット電極、それを用いたアクチュエータ、振動発電器、および振動発電装置、ならびに振動発電装置を搭載した通信装置

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Publication number: JP5411871B2
Application number: JP2010534679A
Authority: JP
Inventors: 宏中塚; 慶治大西; 幸治野村
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-10-23
Filing date: 2009-10-19
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2029-10-19
Also published as: US20110260699A1; WO2010047076A1; US8288917B2; CN102197449A; CN102197449B; JPWO2010047076A1

Description

本発明は、エレクトレット電極と、エレクトレット電極を用いた静電誘導型振動発電器、アクチュエータおよび振動発電装置、ならびにその振動発電装置を搭載した電気機器、及びこの振動発電装置を搭載した通信装置に関するものである。

可変容量の一方の電極に電荷を与え、対向する電極へ静電誘導により電荷を誘起し、容量の変化により、誘起される電荷に変化を生じさせ、この電荷の変化を電気エネルギーとして取り出す静電誘導型振動発電装置は、既に提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図７に、前記特許文献１に記載された、静電誘導型振動発電器を示す。図７は、エレクトレットを用いた振動発電器１０の概略断面図である。

この静電誘導型発電器は、複数の導電性表面領域１３を備えた第１の基板１１と、複数のエレクトレット材料領域１５を備えた第２の基板１６とで構成される。前記第１の基板１１と、前記第２の基板１６は、互いに所定の間隔を隔てて配置されている。エレクトレット材料領域１５を含む第２の基板１６は固定されている。導電性表面領域１３を含む第１の基板１１は固定構造１７にバネ１９を介して連結されている。バネ１９は、第１の基板１１の両側面に接続されるとともに、固定構造１７に接続されている。このバネ１９により、第１の基板１１は定位置に戻ることができ、或いは、第１の基板は側方運動（例えばＸ軸方向運動）を行い、定位置に戻ることができる。この動きにより、エレクトレット材料領域１５と、対向する導電性表面領域１３との重なり面積の増減が生じ、導電性表面領域１３に電荷の変化が生じる。静電誘導型発電器は、この電荷の変化を電気エネルギーとして取り出すことにより発電を行う。

この時、最大出力電力Ｐmaxは、下記式で表される。式中、σは表面電荷（密度）、ε_Electretはエレクトレット材料の誘電率、ε_airは空気の誘電率、ε_０は真空の誘電率、Ａはエレクトレット材料領域と導電性表面領域の重なり面積、ｇは電極間のギャップ、ｆは振動周波数、ｄはエレクトレット材料の膜厚、ｎは重なり面積の数を示している。

上記式によれば、発電量を増加させるためには、エレクトレット材料の表面電荷（密度）を高くする、すなわち、エレクトレット材料の表面電位を高くする必要のあることが分かる。

一方、エレクトレット材料として、シリコン酸化膜が知られている（例えば、非特許文献１参照）。また、エレクトレット材料として用いられているシリコン酸化膜への着電量については、非特許文献２に示されている。

図８は、前記非特許文献１に記載された従来の静電誘導型振動発電器であって、エレクトレット材料としてシリコン酸化膜を用いたＧｅｎｅｒａｔｏｒ（静電誘導型振動発電器）２０の概略断面図である。図８において、ＦｉｘｅｄＥｌｅｃｔｒｏｄｅ（固定電極）２２はＧｌａｓｓ（ガラス）２１の上に形成されている。ＳｕｓｐｅｎｄｅｄＭａｓｓ（質量構造体）２４は、Ａｄｈｅｓｉｖｅｂｏｎｄｉｎｇ（接合）によりＧｌａｓｓ２１の上に配置される。Ｅｌｅｃｔｒｅｔ（エレクトレット）２５が形成されたＳｉｌｉｃｏｎ（シリコン基板）２６は、Ｓｉｌｉｃｏｎ２７の上にＡｄｈｅｓｉｖｅｂｏｎｄｉｎｇにより配置される。

この静電誘導型発電器は、ＭｏｖａｂｌｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅ２３を有するＳｕｓｐｅｎｄｅｄＭａｓｓ２４が振動し、それによりＣｖａｒの容量が変化することを利用して、発電を行っている。また、この静電誘導型発電器においては、エレクトレット材料としてシリコン酸化膜が用いられている。エレクトレット材料領域は、電極上にシリコン窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜を形成して構成され、電荷を安定させるために熱処理が施されている。

図９は、前記非特許文献２に記載された、シリコン酸化膜への着電時間と表面電位との関係を示すグラフである。○印は、シリコン酸化膜の厚さが０．５マイクロメートル、△印は、シリコン酸化膜の厚さが０．６マイクロメートルである場合の着電時間と表面電位との関係を表す。いずれの場合にも、シリコン酸化膜の表面電位は、着電時間が長くなるほど、増加し、最大値に達すると、着電時間を長くしても、表面電位は増加しない。０．５マイクロメートルのシリコン酸化膜において、表面電位の最大値は２４０Ｖであり、０．６マイクロメートルのシリコン酸化膜において、表面電位の最大値は２９０Ｖである。前記非特許文献２において、表面電位の最大値は、シリコン酸化膜の絶縁耐圧により決まると記されている。

したがって、エレクトレット材料としてシリコン酸化膜を用いた静電誘導型振動発電器において、エレクトレット材料の表面電荷（密度）を高くして最大出力電力を向上させるには、シリコン酸化膜の絶縁耐圧を高くすること、即ち、膜厚を大きくする必要がある。

特表２００５−５２９５７４号公報（第１０−１１頁、図４）

TRANSDUCERS＆EUROSENSORS ‘07 The 14th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, Lyon, France, June 10-14, 2007 IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation Vol. 13, No. 5; October 2006

しかしながら、シリコン酸化膜の膜厚を大きくすると、膜の内部応力により、クラックおよび基板のそり等が発生するため、シリコン酸化膜の厚膜化には限界があった。即ち、エレクトレット材料がシリコン酸化膜であると、厚膜化による表面電位（及び表面電荷密度）の増加には限界があるという課題があった。このことは、静電誘導型振動発電器において、エレクトレットとして電荷を保持したシリコン酸化膜を用いた場合、表面電位（表面電荷密度）の低さに起因して、発電効率が低いという課題を招いていた。

本発明は、前記従来の課題を解決するためになされたものである。本発明は、エレクトレット材料としてシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）を用いた場合でも、表面電位が高くなる構造のエレクトレット電極を提供することを目的とする。また、本発明は、シリコン酸化膜を用いたエレクトレットの表面電位を向上させることによって、発電効率が改善された振動発電器を提供することを目的とする。さらに、本発明は、前記振動発電器を用いた振動発電装置、および当該振動発電装置を搭載した通信装置を提供することを目的とする。

本発明は、
導電膜と、電荷を保持したシリコン酸化膜とを有し、
前記導電膜と前記シリコン酸化膜との間に、第１の絶縁膜と第２の絶縁膜とが、前記第１の絶縁膜が前記導電膜に近い側に位置するように積層された積層体を含む絶縁膜を有する、エレクトレット電極を提供する。この構成によって、膜厚を大きくすることが困難なシリコン酸化膜をエレクトレットとして用いる場合に、エレクトレットにおいて電荷が保持された領域と導電膜との間の距離を実質的に大きくすることができ、表面電位（表面電荷密度）を高くすることが可能となる。

本発明のエレクトレット電極は、
前記シリコン酸化膜の下面を覆うように形成された第３の絶縁膜、および
前記シリコン酸化膜の上面および側面を覆うように形成された第４の絶縁膜
を有することが好ましい。この構成により、シリコン酸化膜が絶縁膜で完全に覆われるため、シリコン酸化膜の耐湿性が向上し、エレクトレットに帯電した電荷の抜けが防止される。ここで、シリコン酸化膜の下面とは、シリコン酸化膜を形成したときに、他の層または基体と接する側の面をいい、上面とは、シリコン酸化膜を形成したときに露出している広い面をいい、側面とは、上面とした面とをつなぐ面（厚さ方向に平行な面）である。

前記第３の絶縁膜および第４の絶縁膜を有する場合、第３の絶縁膜が、第２の絶縁膜であり、前記第２の絶縁膜と前記第１の絶縁膜をそれぞれ１つずつ有するように、本発明のエレクトレット電極を構成してよい。その場合、第１の絶縁膜は第２の絶縁膜と導電膜との間に位置することとなる。第３の絶縁膜と第２の絶縁膜を共通させることによって、絶縁膜の成膜回数を減らすことができる。

本発明のエレクトレット電極はまた、第１の絶縁膜の側面および第２の絶縁膜の側面が、他の導電膜または他の絶縁膜で覆われていない構成を有することが好ましい。そのような構成により、エレクトレット以外の絶縁膜に着電した電荷は、側面から抜けていくこととなる。そのため、加熱または加湿により、エレクトレットのみに電荷を保持することが可能となり、特性を安定化させることができる。

本発明はまた、本発明のエレクトレット電極を用いた振動発電器を提供する。前述のように、本発明のエレクトレット電極においては、表面電位（表面電荷密度）が向上され得るので、本発明のエレクトレット電極を用いた本発明の振動発電器によれば、発電効率の向上を図ることができる。

本発明はまた、前記本発明の振動発電器を含む、振動発電装置を提供する。本発明の振動発電装置は、シリコン酸化膜をエレクトレットとして含む従来の振動発電器を含むものと比較して、発電量のより大きいものとなる。

本発明の振動発電装置は、蓄電回路を含んでよい。蓄電回路を含むことによって、振動発電器からの出力電力が大きい場合には、蓄電回路に電力を蓄えることができる。蓄電回路に蓄えられた電力は、発電器からの出力電力が低下した場合に、供給され、それにより振動発電装置の出力を安定に保つことができる。

本発明はまた、本発明の振動発電装置を含む通信装置を提供する。本発明の通信装置は、電池のみで駆動するものと比較して、電池交換回数の低減を可能にし、或いは用途によっては、電池交換を不要とすることができる。

本発明のエレクトレット電極は、シリコン酸化膜をエレクトレットとして用いたエレクトレット電極の表面電位（表面電荷密度）を向上させることができる。よって、このエレクトレット電極を用いた、本発明の振動発電器によれば、シリコン酸化膜をエレクトレットとして用いた従来の振動発電器に比べ、発電効率を向上させることができる。

また、本発明の振動発電装置は、本発明の振動発電器を含み、比較的高い出力の電力を供給できる。さらに、本発明の振動発電装置が蓄電回路を含む場合には、出力電圧を安定させることが可能である。本発明の振動発電装置は、通信装置の電源として機能することができる。本発明の振動発電装置は、外部から与えられた力（例えば、人間が歩行しているときに加わる力、又は車を運転している間に加わる振動等）で発電可能なものである。よって、本発明の振動発電装置を用いた通信装置は、電池交換等のメンテナンス回数を低減できる等、省資源および環境保護の点でも有利である。

（ａ）は、本発明の実施の形態１における振動発電器の断面図、（ｂ）は（ａ）に示すエレクトレット電極部１０１の断面拡大図（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施の形態１におけるエレクトレット電極部の他の構成を示す断面拡大図本発明の実施の形態２における振動発電器の構造を示す上面図本発明の実施の形態３における振動発電装置を示すブロック図本発明の実施の形態３における振動発電装置の各部の電圧波形を示す図本発明の実施の形態４における通信装置を示す図従来の静電誘導型振動発電器の上面図従来のシリコン酸化膜を用いた静電誘導型振動発電器の断面図図９に示す静電誘導型振動発電器のシリコン酸化膜への着電時間と表面電位の関係を示すグラフ

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における振動発電器を示し、（ａ）は振動発電器１００の断面図であり、（ｂ）は、エレクトレット電極部１０１の拡大断面図である。

図１（ａ）において、振動発電器１００は、エレクトレット電極部１０１を含む第１の基板１０２と、第１の基板１０２を、固定構造体１０４ａ、１０４ｂに接続する弾性構造体１０３ａ、１０３ｂと、第２の基板１０６とを含む。固定構造体１０４ａ、１０４ｂは、支持体１０５ａ、１０５ｂにより、第２の基板１０６に接続される。第２の基板１０６上には、電極１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄ、１０７ｅが形成されている。

図１（ｂ）において、エレクトレット電極部１０１は、第１の基板１０２と、第１の基板上に形成された導電膜１１１とを含む。導電膜１１１上には、第１の絶縁膜１１２、及び第２の絶縁膜１１３が、交互に積層されて、４層構造の絶縁膜が形成されている。最後に形成された第２の絶縁膜１１３の表面には、第３の絶縁膜１１４および第４の絶縁膜１１５によって、下面、上面および側面が覆われた、エレクトレット１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄが形成されている。具体的には、第３の絶縁膜１１４が第２の絶縁膜１１３上に形成された後、エレクトレット膜１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄが形成され、さらに第４の絶縁膜１１５が形成されている。このようにエレクトレットとして、シリコン酸化膜を使用する場合には、シリコン酸化膜は、いずれの面（上面、下面および側面）も露出せず、かつ他の膜もしくは基板と直接接触しないように、絶縁膜で封止されることが好ましい。
なお、導電膜１１１は、金属など導電性を有する任意の材料により構成されてよいが、好ましくはポリシリコンより成る。エレクトレットとして、シリコン酸化膜を使用する場合、高熱処理があるＬＰ−ＣＶＤ工程での成膜が可能となり、高品質のエレクトレット膜を得ることができる。また、エレクトレット以外にも絶縁膜としてシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等を用いる場合においても高温処理が可能となるなど、その効果は大きい。

この構成のエレクトレット電極部１０１は、エレクトレット膜１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄと、電極１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄ、１０７ｅが、それらの間に間隙を有する状態で互いに対向するように、配置される。
本願発明にかかる振動発電器では複数個のエレクトレット膜１１０（１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ）および／または複数個の電極１０７（１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄ、１０７ｅ）が配置されるのが好ましい。複数のエレクトレットおよび／または電極を適正に配置することにより、同じ表面積のエレクトレットおよび／または電極を１個配置する場合と比べ、小さな振動でも、より大きな重なり面積の変化（増減）を得ることができるからである。

図１（ａ）に示す例では、エレクトレット膜１１０と電極１０７の横方向の位置（図１（ａ）の左右方向の位置）とは、ずらして配置されているが、第１の基板１０２が横方向に振動することでエレクトレット膜１１０と電極１０７の重なり面積が増減すればよいことから、初期状態（第１の基板１０２が振動していない状態）では、エレクトレット膜１１０と電極１０７は、図１（ａ）のようにずらして配置してもよく。また重なるように配置してもよい。

本発明のエレクトレット電極においては、エレクトレット（エレクトレット膜）として、電荷を保持したシリコン酸化膜（または酸化シリコン膜）を用いる。シリコン酸化膜は、絶縁耐圧および耐熱性に優れているので、実装時のリフロー等の際にも変質又は変形しない。そのため、シリコン酸化膜がエレクトレットとして既に使用されていることは、背景技術の欄で説明したとおりである。

耐湿性を向上させるため、エレクトレットであるシリコン酸化膜は、膜全体が絶縁膜で完全に覆われていることが望ましい。具体的には、シリコン酸化膜は、シリコン窒化膜のような絶縁膜により、その周囲を完全に覆う構造とすることによって、絶縁耐圧、耐熱性および耐湿性において、より優れたエレクトレットとなる。

図示した形態において、第１絶縁膜１１２および第２絶縁膜１１３は、第３絶縁膜１１４と接する第２絶縁膜１１３の材料が、第３絶縁膜１１４の材料とは異なるように、適切な絶縁材料を選択して形成する。例えば、第３絶縁膜１１４がシリコン窒化膜である場合には、第２絶縁膜１１３はシリコン酸化膜であることが好ましく、第１絶縁膜１１２はシリコン窒化膜であることが好ましい。第２絶縁膜をシリコン酸化膜とすることにより、エレクトレットを含む積層構造において、一層おきにシリコン酸化膜が存在することとなるので、反りまたは歪みの小さい、積層構造体を得ることができる。また、第１絶縁膜をシリコン窒化膜とすることによって、第４絶縁膜を含む積層構造において、一層おきにシリコン窒化膜が存在することとなるので、反りまたは歪みの小さい積層構造体を得ることができる。あるいは、第１絶縁膜１１２は、シリコン窒化膜以外の無機材料から成る膜であってよく、例えば、プラズマ窒化膜から成ってもよい。

図１に示す形態においては、第１の絶縁膜１１２と第２の絶縁膜１１３が交互に形成された構成を示した。変形例において、第３の絶縁膜は、第２の絶縁膜を兼ねてよく、その場合、第１の絶縁膜が第３の絶縁膜と導電膜との間に位置してよい。即ち、図１において、４層構造の絶縁膜は、単層構造であってよい。このように構成することで、成膜回数を少なくすることができる。その構成において、第１の絶縁膜（単層の絶縁膜）はシリコン酸化膜であることが好ましい。または、絶縁膜は、導電膜側から、第１の絶縁膜／第２の絶縁膜／第１の絶縁膜と積層された三層構造であってよい。その場合、第２の絶縁膜を第３の絶縁膜と同じ材料（例えば、シリコン窒化膜）で形成し、第１の絶縁膜を他の無機材料（例えば、シリコン酸化膜）で形成してよい。

あるいは、可能であれば、第３の絶縁膜を、その厚さが第４の絶縁膜の厚さよりも大きくなるように形成して、第１の絶縁膜および第２の絶縁膜を有しない構成としてよい。その場合には、第４の絶縁膜を絶縁膜Ａと呼び、第３の絶縁膜を絶縁膜Ｂと呼んで、第１および第２の絶縁膜が存在しないことの不自然さを回避してよい。

あるいはまた、図１に示す形態において、第１の絶縁膜１１２と第２の絶縁膜１１３は同じ材料から成ってよい。その場合には、第１の絶縁膜１１２と第２の絶縁膜１１３において、例えば、膜の密度が異なるように、成膜条件を適宜調整して、互いに隣り合う膜の物性が異なるようにすることが好ましい。

いずれのように（材料を同じにする形態にして、または異なる形態にして）第１および第２の絶縁膜を形成する場合にも、互いの成膜時の応力（得られた絶縁膜に生ずる残留応力）を緩和するように、第１の絶縁膜１１２と第２の絶縁膜１１３の材料及び／又は物性を選択して形成することが好ましい。成膜時の応力の緩和は、例えば第１の絶縁膜１１２と第２の絶縁膜１１３の一方を形成した際にその露出表面に生ずる残留応力が引張り応力である場合に、他方を形成した際にその露出表面に生ずる残留応力が圧縮応力となるように、第１の絶縁膜１１２と第２の絶縁膜１１３との組み合わせを選択することにより実現できる。
すなわち、成膜時の応力を緩和するとは、例えば、一方の膜を形成したときに、膜の露出表面が導電膜側に凸を形成するように応力が生じる場合には、他方の膜を、膜の露出表面が導電膜側に凹を形成するような材料等を選択して形成することをいう。

図１（ｂ）に示すように、第１の絶縁膜１１２および第２の絶縁膜１１３の側面は、導電膜、または絶縁膜で覆われていない、即ち、露出していることが望ましい。このように構成することで、例えば、第２の絶縁膜１１３をエレクトレットと同じシリコン酸化膜とした場合においても、エレクトレット膜に着電された電荷以外は、周辺の空間中へ拡散する。その結果、安定なエレクトレット電極を得ることが可能となる。

第１の絶縁膜１１２および第２の絶縁膜１１３の厚さは、各絶縁膜の特性（脆さ、硬さ等）を考慮して、エレクトレット１１０ａ〜ｄと導電膜１１１との間の距離が、エレクトレット電極の表面にて所望の表面電位を得るのに必要な大きさとなるように選択する。例えば、エレクトレット１１０ａ〜ｄと導電膜１１１との間の距離は、１μｍ程度としてよい。その場合には、厚さ１００ｎｍの第１の絶縁膜１１２と、厚さ１００ｎｍの第２の絶縁膜１１３とを、それぞれ５層ずつ、計１０層となるように積層するとよい。

次に、上記のように構成されたエレクトレット電極を用いて、図１（ａ）のように構成した、振動発電器の動作について説明を行う。

振動発電器１００は、外部からの力または振動１０８が加わると、弾性構造体１０３ａおよび１０３ｂが伸縮し、それにより第１の基板１０２は第２の基板１０６に対して相対的に変位する。この相対的な変位は、エレクトレット電極部１０１（特にエレクトレット１１０ａ〜ｄ）と第２の基板上の電極１０７ａ〜ｅとの重なり面積の増減をもたらす。この重なり面積の増減により、エレクトレット電極部１０１に誘起される電荷量が増減する。この電荷の増減を電気エネルギーとして取り出すことによって、発電を行う。また、第１の基板１０１が振動を続ける限り、この重なり面積の増減は続く。

本発明の実施の形態にかかる振動発電器１００によれば、エレクトレット膜の表面電荷密度（表面電位）を高くすることができるという効果を得ることができる。この効果について、以下に詳細な説明を行う。

エレクトレット膜１１０ａ〜ｄは、導電膜１１１上に形成された第１の絶縁膜１１２および第２の絶縁膜１１３から成る積層体の上に形成されている。したがって、エレクトレット膜１１０ａ〜ｅが保持する電荷により発生する電界は、エレクトレット膜１１０ａ〜ｅ、第３の絶縁膜１１４、及び第１および第２の絶縁膜１１２および１１３に存在することとなる。その結果、電荷を保持した領域と導電膜１１１との間の距離が大きくなり、同じ電荷を保持した場合には、電界強度が小さくなり、同じ電界強度の場合には、表面電荷密度（表面電位）を高くすることが可能となる。

シリコン酸化膜から成るエレクトレットにおいては、絶縁破壊が約５ＭＶ／ｃｍで発生する。よって、例えば、シリコン酸化膜の厚さが１マイクロメートルであると、表面電位５００Ｖが限界となる。これに対し、導電膜１１１との間に１マイクロメートルの絶縁層（同程度の絶縁耐圧を有するシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜）を形成すると、表面電位の限界を１０００Ｖまで高くすることが可能となる。

図１（ａ）に示す形態では、導電膜１１１をエレクトレット膜１１０の下方全体に、連続した一枚の膜として形成する構成を示した。
導電膜は、図２（ａ）に示すように、エレクトレット膜１２０ａ〜ｄの下方に、エレクトレット膜１２０ａ〜ｄに対応する位置にのみに形成（図２（ａ）に示す例では、エレクトレット膜１２０ａ〜ｄが存在する部分の下部にのみ導電膜１２１ａ〜ｄを形成）してもよい。あるいは、エレクトレットを導電膜に対応するように配置（図２（ａ）に示す例では、導電膜１２１ａ〜ｄが存在する部分の上部にのみエレクトレット膜１２０ａ〜ｄを配置）するのが好ましい。

このようにエレクトレット膜１２０ａ〜ｄの位置（図２（ａ）の左右方向の位置）と導電膜１２１ａ〜ｄの位置を対応（一致）させることにより、着電時にエレクトレット膜により多くの電荷を与えることができるという利点がある。
すなわち、エレクトレット膜と導電膜の位置を対応させることにより、着電のためにエレクトレット膜と導電膜との間に所定の電圧を印加した際、電界がエレクトレット膜より外側に拡がろうとするのを抑制できる。この結果、同じ電圧を印加しても、広い一枚の導電膜を用いた場合と比べ、より多くの電荷をエレクトレットに与えることが可能となる。

なお、図２において、符号１２２は、第１の絶縁膜に相当し、符号１２３は、第２の絶縁膜に相当し、符号１２４は第３の絶縁膜に相当し、符号１２５は第４の絶縁膜に相当する。エレクトレット１２０ａ〜ｄおよび各絶縁膜の機能および材料は、先に図１を参照して説明したとおりであるから、ここではそれらの説明を省略する。

図２（ｂ）に示すように、導電膜１２１ａ〜ｄを、間隔をあけて形成する場合には、図２（ｂ）に示すように、第１の絶縁膜１３２および第２の絶縁膜１３３は、エレクトレット１３０ａ〜ｄおよび導電膜１３１ａ〜ｄに対応して、ａ〜ｄのセクションに分け、セクションとセクションとの間に間隙を有するように形成してよい。それにより、エレクトレット以外に着電された電荷を周辺の空間中へより効果的に拡散させ得る。より具体的には、第１の絶縁膜１３２と第２の絶縁膜１３３は、それぞれ１３２ａ〜ｄおよび１３３ａ〜ｄとなるように、形成される。セクション間の間隙は、第１の絶縁膜および第２の絶縁膜を形成した後に、形成してよい。これらのエレクトレットならびに第１および第２の絶縁膜の機能および材料は、先に図１を参照して説明したとおりであるから、ここではそれらの説明を省略する。また、図２（ａ）において、符号１３４は第３の絶縁膜に相当し、符号１３５は第４の絶縁膜に相当する。これらの絶縁膜の機能および材料は、先に図１を参照して説明したとおりであるから、ここでは省略する。

図１（ｂ）および図２（ａ）、（ｂ）に示す実施形態では、基板１０２上に直接、導電膜１１１（１２１ａ〜ｄ、１３１ａ〜ｄ）を形成しているが、基板上に熱酸化膜等の絶縁膜を形成し、その絶縁膜上に導電膜を形成するのが好ましい。
基板１０２は、通常、例えばシリコンのような導電性基板を用いる。そして、このような導電性基板の上に直接導電膜が形成されていると、着電時にエレクトレット膜と導電膜との間に電圧を印加した際に、エレクトレットと導電性基板との間で、エレクトレットの外側（図２（ａ）の左右方向）に拡がる電界を生じ、エレクトレットに与えられる電荷が減少する場合がある。
しかし、導電膜と導電性基板との間に絶縁層を形成することにより、エレクトレットと基板との間にこのような電界が生ずるのを防止でき、エレクトレットに、より多くの電荷を与えることができるという効果がある。

また、導電膜と基板との間に絶縁層を形成することに代えて、基板１０２として、例えば抵抗率の高いシリコン基板、或いはガラス基板のような絶縁性基板を用いることで同じ効果を得ることができる。

本実施の形態ではエレクトレットとして、シリコン酸化膜を用いている。エレクトレットは、可能であれば、シリコン酸化膜以外のエレクトレット材料で形成してよく、その場合にも、エレクトレット材料に応じて、第１の絶縁膜および第２の絶縁膜を適宜選択することによって、同様の効果を得ることができる。

エレクトレットとしてシリコン酸化膜を用いた場合、エレクトレットは正電荷にも負電荷にも帯電することができる。よって、エレクトレット電極部１０１は、正の電荷と負の電荷を有するエレクトレット膜を交互に配置して構成してよい。そのような構成により、振動による出力電力を向上させることが可能となる等、利用上の効果は大きい。

本実施の形態では、振動発電器の例を示した。振動発電器以外の装置（またはデバイス）であって、高い表面電荷密度が必要な装置（またはデバイス）においても、本発明のエレクトレット電極の構成は有効である。例えば、本発明のエレクトレット電極は、アクチュエータを構成するために用いてよい。アクチュエータにおいて、エレクトレット膜の表面電荷密度が高いほど、発生力はより大きくなる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態１におけるエレクトレット電極部の上面図である。
図３において、エレクトレット電極部２０１は、導電膜２１１と第２の絶縁膜２１５（２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃ、２１５ｄ）と基板２０２とから構成されている。このエレクトレット電極部２０１の断面は、例えば、図２（ｂ）で示される断面と同じになる。

実施の形態２において、導電膜２１１は、エレクトレット電極部２０１において、エレクトレット膜１３０に保持された電荷の対向電極となり、導電膜２１１は、例えばGND端子と電気的に接続される。このように構成することにより、エレクトレット膜表面の表面電位が固定され、発電器においてGNDを中心とした交流信号を出力することが可能となる。よって、この構成のエレクトレット電極は、有利に使用できる。図３において、エレクトレットは、例えば、５０〜３００μｍ×数百μｍ〜数ｍｍの矩形としてよく、隣り合うエレクトレット間の間隔は例えば、エレクトレットの短辺の長さ程度としてよい。

次に、本実施の形態のエレクトレット電極を用いた振動発電器の動作のうち、本実施の形態を用いることによる特徴的な部分についてのみ、説明する。
振動発電器においては、外部振動により、電極１０７（１０７ａ〜ｅ）とエレクトレット膜１３０（１３０ａ〜ｄ）との重なり面積が増減する。この重なり面積の増減により、電極１０７に誘起される電荷を電気エネルギーとして取り出して、発電を行う。このとき、電極１０７は同じ電位となるように一体に形成されるため、電気的な端子としては１つとなる。そのため負荷の電極端子の一方は電極１０７に接続され、もう一方はGNDに接続される。かかる接続により、発電による交流成分と、エレクトレット膜１３０に重畳される直流成分とが合わせられた出力を得ることができる。しかしながら、エレクトレット電極部２０１を構成する導電膜２１１をGNDに接地することによって、直流成分を除去することが可能となる。

その結果、発生電力はGNDを中心とした交流信号となるため、交流電力のみを考慮した回路設計を行うことができるといった効果を得ることができる。
また、本実施の形態に示すエレクトレット電極部では、導電膜２１１をエレクトレットの着電工程における基準電位としても利用することが可能であり、利用上の効果は非常に大きい。

本実施の形態では、エレクトレット電極部の断面構造が図２（ｂ）に示す構造の例を示した。エレクトレット電極が図１（ｂ）または図２（ａ）に示す構造のものであっても、同様の効果を得られることは言うまでもない。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３として、振動発電装置を説明する。図４は、振動発電装置３００のブロック図である。図４において、振動発電器は、実施の形態１または実施の形態２として示された振動発電器である。

図４において、振動発電装置３００は、振動発電器３０１、整流回路３０２、電圧変換回路３０３、出力切替回路３０４、蓄電回路３０５、および電圧制御回路３０６を含む。振動発電器３０１から出力された交流電圧は、整流回路３０２により直流電圧に変換される。直流電圧は、電圧変換回路３０３に入力され、振動発電装置３００の出力電圧レベルまで、電圧変換に付される。変換された電圧は、出力切替回路３０４により、電圧制御回路３０６、または蓄電回路３０５に入力される。電圧制御回路３０６では、出力電圧が一定となるように電圧制御されて出力される。

以上のように構成された振動発電装置３００の動作について、図５を参照して説明を行う。図５は振動発電装置３００の各回路から出力される電圧波形を示している。図５の（ａ）は、振動発電器３０１の出力電圧波形である。本実施の形態では、簡単のため、第１の基板の変位方向が変わるときでも発電は効率よく行われていると仮定し、振動による重なり面積の増減により正弦波電圧が出力されるとしている。ここで、振動発電器３０１の出力電圧の電圧振幅Ｖｇは、第１の基板の振動振幅、第１の基板と第２の基板との間のギャップ、エレクトレットの保持電荷量、及び振動発電器３０１から見た外部インピーダンスの大きさ等により異なる。振動発電器３０１から出力された交流電圧は、整流回路３０２により直流電圧ＶＤＣ１に変換される（図５（ｂ））。ＶＤＣ１は、振動発電装置３００の出力電圧レベルＶＤＣ２まで、電圧変換回路３０３により電圧変換される。

出力切替回路３０４は、振動発電装置３００から電圧を出力する必要がない場合、電圧変換回路３０３からの出力を電圧制御回路３０６に送らず、蓄電回路３０５に送る役割をする。蓄電回路３０５は、発電された電力を蓄える。出力切替回路３０４は、振動発電装置３００からの電圧出力が必要である場合には、電圧制御回路３０６から電力が出力されるように、回路を切り替える。出力切替回路３０４は、さらに、発電量が小さい場合には、蓄電回路３０５に蓄えられた電力を出力するように、回路を切り替える。出力切替回路３０４からの出力は、電圧制御回路３０６により所望の出力電圧ＶＯＵＴに制御されて、振動発電装置３００外へ出力される（図５（ｃ））。

前述したように、振動発電器３００の出力電圧は、さまざまな要因で変動する。これに対応するため、ＶＤＣ２は、最終的に出力される電圧ＶＯＵＴよりも若干高い電圧に設定することが望ましい。このように設定を行うことにより、微小な電圧変動に対しても、出力電圧を一定とすることが可能となる。例として、１．８Ｖの電圧で電力を出力する場合について説明する。この場合において、ＶＤＣ２が１．８Ｖに設定されていて、かつ振動発電器の出力電圧が減少すると、振動発電器３００の出力電圧も減少する。しかし、例えば、ＶＤＣ２を２Ｖに設定しておけば、０．２Ｖの電圧減少に対しても十分に制御が可能となる。したがって、ＶＤＣ２＞ＶＯＵＴに設定することにより、出力電圧を一定にして安定して電力を供給できる。

（実施の形態４）
図６は、自動車に搭載されるタイヤ空気圧モニタリングシステムにおいて使用される通信装置のブロック図である。図６において、発電装置は、実施の形態３の振動発電装置を示す。

図６において、通信装置４００は、振動により発電を行う発電装置４０１、通信装置の主電源または発電装置４０１のサブ電源としての電池４０２、発電装置４０１からの出力と電池４０２からの出力を切り替えて回路部に供給する電源制御部４０３、タイヤの空気圧を測定する圧力センサ４０４、圧力センサからの出力を処理し、通信部に伝える処理部４０５、処理部４０５からの入力信号を高周波信号に変換してアンテナ４０７へ伝える通信部４０６、およびアンテナ４０７を含む。

以上のように構成された通信装置４００の動作について説明を行う。
圧力センサ４０４、処理部４０５、および通信部４０６が動作するのに必要な電力を、電源制御部４０３を介して、発電装置４０１、或いは電池４０２から供給する。圧力センサ４０４は、タイヤの空気圧を測定し、測定結果を電圧信号に変換して処理部４０５へ入力する。処理部４０５で処理された信号は、通信部４０６へ入力され、高周波信号としてアンテナ４０７から伝搬される。

このように作動する通信装置において、振動発電装置を通信装置の電源として利用する場合、電池交換等のメンテナンス作業回数を低減することができ、或いは電池交換を不要とすることができる。このことは、通信装置それ自体の利便性を向上させるとともに、省資源および環境保護にも寄与する。

本実施の形態では、振動発電装置と電池とを併用する例を示した。振動発電装置からの出力電力が、圧力センサ、処理部、通信部等の回路で消費する電力、および通信に必要な電力を十分にまかなうことができれば、振動発電装置のみを電源として用いてよい。その場合、電池、及び電源制御部が不要となり、機器の小型化の点で有利である。

本実施の形態では、実施の形態１から３に示す振動発電器、および振動発電装置を用いる例を示した。振動発電器は、外部からの力または振動を電力に変換可能である限りにおいて、他の振動発電器であってもよく、その場合において同様の効果が得られることは言うまでもない。

本発明の振動発電器および振動発電装置は、通信装置以外の電気機器において、主電源または副電源として使用してよい。具体的には、具体的には、腕時計、体温計、温度計、歩数計、リモートコントローラ、携帯オーディオ製品、キーレスエントリー用携帯機、補聴器、心臓ペースメーカー、携帯電話およびゲーム機において、使用することができる。

本明細書において開示された実施の形態において、すべての構成要素は例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記の説明ではなくて、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明のエレクトレット電極の構成は、高い表面電位または表面電荷密度を得ることを可能とするので、静電誘導型振動発電器のエレクトレット電極として有用であり、または静電アクチュエータにおいて都合良く用いられる。また、本発明の振動発電器は、小電力の無線通信モジュール等の用途において、電源として非常に有用である。

１００振動発電器
１０１、２０１エレクトレット電極部
１０２第１の基板
１０３ａ、１０３ｂ弾性構造体
１０４ａ、１０４ｂ固定構造体
１０５ａ、１０５ｂ支持体
１０６第２の基板
１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄ、１０７ｅ電極
１０８振動
１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄエレクトレット膜
１１１導電膜
１１２第１の絶縁膜
１１３第２の絶縁膜
１１４第３の絶縁膜
１１５第４の絶縁膜
３００振動発電装置
４００通信装置

Claims

導電膜と、
前記導電膜の直上に配置され、電荷を保持した複数個のシリコン酸化膜とを有し、
前記導電膜と前記複数個のシリコン酸化膜との間に、第１の絶縁膜と第２の絶縁膜とが、前記第１の絶縁膜が前記導電膜に近い側に位置するように積層された積層体を含む絶縁膜を有し、
前記第１の絶縁膜がシリコン窒化膜であり、前記第２の絶縁膜がシリコン酸化膜であり、
前記導電膜は、前記電荷を保持した複数個のシリコン酸化膜が存在する領域の下方にのみ形成された複数個の導電膜であり、
前記複数個の導電膜は、それぞれ、前記第１の絶縁膜により周りを覆われ、かつ幅が前記第１絶縁膜の幅より狭い、
エレクトレット電極。
複数個の導電膜と、
前記複数個の導電膜の直上に配置され、電荷を保持した複数個のシリコン酸化膜と、
前記複数個の導電膜と前記複数個のシリコン酸化膜との間にそれぞれ配置される複数個の絶縁膜であって、第１の絶縁膜と第２の絶縁膜とが、前記第１の絶縁膜が前記導電膜に近い側に位置するように積層された積層体を含む複数個の絶縁膜と、
を有し、
前記第１の絶縁膜がシリコン窒化膜であり、前記第２の絶縁膜がシリコン酸化膜であり、
前記複数個の絶縁膜のそれぞれの側面が、他の導電膜または他の絶縁膜で覆われていないエレクトレット電極。